D406A超高强度钢切削加工工艺研究

航天制造技术 2D03年6月纂j期 D406A超高强度钢切削加工工艺研究 中南大学韩庆波宋东葵 中国三江航天集团江北机械厂付德生 文摘从化学成分、力学性能、热处理等方面论述了D406A超高强度钢难于切削加工的原因，同 时在刀具材料、刀具几何角度，切削用量等方面，对D406A钢在热处理强化后的切削加工进行研究， 初步解决7D406A钢的切削加工难。 主题词 超高强度钢切削加工刀具切削参数工艺研究1白亨 A 1 引言 为了提高导弹武器的打击范围及突防能力， 火箭发动机为导弹武器提供较大的射程及速 度。因此，需要发动机壳体材料具有很高的强度， 以保证发动机重量轻、耐高压。D406A超高强 度钢，以其较好的综合性能，已逐步取代406、 406A、D6Ac等超高强度钢，成为固体火箭发动 机壳体的主导材料。经热处理强化后的D406A 钢，硬度高达48HRc～52HRc，抗拉强度大于 1620MPa，切削加工较困难，尤其是铣削、钻孔 及攻丝。因此，开展其切削加工工艺研究，对于 提高D406A超高强度钢发动机壳体的加工效率 及加工质量具有重要的意义。 2 D406A钢切削性能分析 D406A钢切削加工的难度主要由材料本身 的性能所决定，材料的性能又由其化学成分、金 相组织所决定。现将几个主要因素进行分析。 D406A钢的化学成分见l。 表】D406A钢化学成分 l兀素 C Mn Sl S Co Mo C“ l台量％ O27～032 070～l0 I 40～170 ≤00l ≤O叭3 025 l 0～I30 040～055 008～015≤025 2．I化学成分 D406A钢全称30sj2Mncr^dovE，化学成分 是决定材料可切削性的最主要因素，材料中各主 要元素对材料的切削性能有如下影响： a．碳 碳是D406A钢中的热处理强化元 素，通过淬火和低温回火获得回火马氏体组织。 碳元素含量的多少，对材料的切削性能起着重要 的作用。当含碳量在O．45％左右时，材料的强度、 硬度升高，塑性、韧性下降，切削时粘结现象减 少，但刀具机械磨损加快。 b硅、锰硅在D406A钢中起保证回火稳 定性作用，锰起保证淬透性作用。硅溶解于铁素 体内，提高了材料的硬度和强度．并使其导热性 变差。当硅形成硬质点siO，时，使钢的可切削 性变差，刀具发生磨料磨损，切削温度随之增加。 c．钼、铬、钒钼在D406A钢中起抑制回 收稿日期：2002—08—23 16 万方数据 航天制造技术 20妇年6月第j期 火脆性的作用，钒起细化晶粒的作用。钼、铬、 钒都使钢的机械性能提高，切削加工性能下降。 特别是合金元素与钢中的碳形成稳定的碳化物 时，其切削性能明显变坏，如vc、c疋的硬度 很高，达到维氏硬度2094度，在切削加工中， 加快刀具磨损，降低刀具寿命。 2．2物理性能 材料的物理性能对切削加工的影响很大，是 材料难加工的直接和决定因素。下面对几个主要 指标进行分析。 2．21硬度和强度 硬度和强度是金属材料的两项主要指标。材 料的强度、硬度越高，切削力就越大，消耗的功 就越大，切削温度就越高，刀具磨损就越快。经 热处理强化后的D406A钢，硬度高达48HRc～ 52HRc，抗拉强度大于1620MPa，最高可达到 1760MPa，刀具磨损特别明显。 2．2．2 导热性 工件材料的导热性越好，则切屑带走的热量 越多，切削温度就低，刀具由于热作用而产生的 磨损就越小，刀具的耐用度就越高。经热处理强 化后的D406A钢的导热系数为O．021卡／厘米．秒． 度，只有45号钢的五分之一左右，导热性较差。 切削加工时，单位切削力大，切削温度高，切削 热集中于刀尖上，刀具磨损较快。 3刀具材料的选择 加工经热处理强化后的D406A钢，刀具材 料的选择很重要，要求刀具材料具有很高的抗弯 强度、冲击韧性、红硬性和耐磨性。按洛氏硬度 计算，一般刀具材料的硬度应高于工件材料硬度 20度以上才能正常切削。因此，加工经热处理 强化后的D406A钢，刀具材料的硬度应大于 68HRc。切削D406A钢常用刀具材料性能对照 见表2。 表2切削D406A钢常用刀具材料性能对照表 常温抗弯强度 600℃时的硬度l序号 材 料 常温硬度 冲击韧性，MJ·lIr2，MPa 或耐热温度 w18cr4v(普通高速钢) 63HRC～66HRC3000～4000 018～032 485HRC W2M09Cr4VC08 67}IRC～69}IRC2700～3800 023～O30 55HRC (含钴超硬高速钢) W6M05Cr4V2AI 67HRC～69}披C“00～3600 023～030 55HRC (含铝超硬高速钢) 4 YTl5(硬质合金) 905m叭 1150 O007 耐900℃ Ys2(超细晶粒硬质合金) 9l～94}ⅡLA 2200 012～015 耐900℃ 6 cBN(立方氯化硼) 4000～8000HV1000～1500 O006 耐1200℃ 陶瓷 92～95HRA 450～850 O004～0005 耐1200℃ 8 粉末冶金高速钢 68HRC～70HRC3200～4000 025～032 ≥56}IRC 3．1 w18cr4v(普通高速钢) 由于刀具材料硬度较低，切削时对工件材料 的剪切应力较低，一般只能加工退火状态下的 D406A钢。在小于5n√min的切削速度时，也能 进行经热处理强化后的D_406A钢的螺纹修整车 削精加工。 3．2 w2M09Cr4vc08(含钴超硬高速钢) 相当于美国牌号M42，含钴量8％。耐热性 高，强度和韧性较高，可重磨性好，但价格较贵。 一般用于经热处理强化后的D406A钢的钻孔、 17 万方数据 航天制造技术 2口"年F月第3期 攻丝和铣削。 3．3 w6M05cr4v2Al(含铝超硬高速钢) 简称M2Al或501，性能与w2M09cr4vC08 (M42)相近，但重磨性稍差，过热敏感性较大， 价格较便宜。能用于经热处理强化后的D406A 钢的钻孔、攻丝和铣削，但切削速度较低，刀具 耐用度较低。 3．4 YTl5(硬质合金) 常用于经热处理强化后的D406A钢的车 削．切削速度不宜高，否则刀具磨损快。 3．5 Ys2(超细晶粒硬质合金) 属于超细晶粒硬质合金，耐磨性较好，抗冲 击振动性好。能用于经热处理强化后的D406A 钢的钻孔、攻丝、铣削和切断车削，作切断刀和 丝锥尤佳，但价格较贵。 3．6 cBN(立方氮化硼) 具有类似金刚石的晶体结构，因此具有很高 的硬度和耐磨性，刀具的耐用度是普通硬质合金 和陶瓷刀具的十倍以上。一般用于经热处理强化 后的D406A钢的精车加工，当采用立方氮化硼 与硬质合金烧结的复合刀片后，具有了较好的韧 性，也可以进行连续的粗车加工。缺点是价格比 普通硬质合金和陶瓷刀具贵。 37陶瓷 硬度高，耐磨性好。但抗弯强度低，冲击韧 性差。只能用于经热处理强化后的D406A钢的 连续精车加工，刀具耐用度是普通硬质合金的2～ 5倍。 3．8粉末冶金高速钢 普通高速钢是熔炼制造的，铸锭会产生粗大 炭化物共晶偏析。粉末冶金高速钢是将刀具原材 料制作成超细微的粉末，经高温高压烧结而成， 晶粒尺寸只有熔炼钢的1／7左右，但强度、韧性 有明显提高，特别适合制造钻头、丝锥、铣刀等 加工时有冲击的刀具。日本OsG公司生产的含 钴粉末冶金高速钢(成分相当于M42)钻头、 丝锥及铣刀，表面经TiNc复合涂层处理，可以 作为经热处理强化后的D406A钢的钻孔、攻丝 及铣削的首选刀具。其耐用度是普通硬质合金刀 具的6～8倍，价格只有普通整体硬质合金刀具 的1／3～1／2。 4刀具几何角度的选择 在金属切削加工中，刀具几何角度非常重 要，在D406A钢材料的加工中，这一点就显得 特别突出。在D406A钢热处理强化后的加工中， 切削力很大，是否出现崩刃现象，在很大程度上 取决于刀具角度的选择合理与否。选得不合理， 高强度刀具也会出现崩刃现象，选得合理，脆性 刀具材料也能可靠地切削。因此，在选择几何角 度时，应重点从保护刀尖及增加刀具耐用度出 发。选用0。前角或负前角，一般为O～．5。，O．2～ 0．4mm的负倒棱。选用小后角，一般为6～8。。 选用负刃倾角，一般为．2。～．4。。刀尖圆弧半 径也应重点考虑刀尖强度和刀具耐磨性的要求， 一般为R03～RO．5之间，粗加工取较大值，精 加工取较小值。 5装夹方式的选择 由于经热处理强化后的D406A钢强度及硬 度很高，切削力很大，切削加工时保证切削系统 的刚性很重要，以达到减小振动，增加刀具寿命 的目的。要保证切削系统的刚性，应从以下几个 方面考虑： a．尽可能减少刀具和主轴的悬伸； b．尽可能减小刀具和主轴的跳动； c．保证夹具有足够的刚性； d尽可能不采用中心架装夹工件．因为中 心架的滚轮与转轴之间及中心架的滚轮与工件之 间不可避免地存在间隙，切削加工时有较大的振 动： e．保证刀具及工件装夹牢固可靠。 万方数据 航天期造棱术 20D3年6月第3期 6切削用量的选择 切削用量一般包括切削速度、吃刀深度及进 给量。在切削加工过程中它和刀具几何角度一样 重要，也是影响切削加_[的一个重要因素。 6．1切削速度 切削速度直接影响工作效率，因此希望采用 高速切削．但随着切削速度的提高，切削温度直 线卜升，刀具的耐用度直线下降。这样，适当的 切削速度必须根据刀具材料的热稳定温度而定。 不同的刀具材料、不同的切削方式下干式切削加 工经热处理强化后的D406A钢的切削速度见表 3(湿切削速度相应提高30％)。 6．2吃刀深度 吃刀深度对切削力的影响很大，一般来说， 吃刀深度要根据被加工材料的硬度和刀具材料的 强度而定，对于经热处理强化后的D406A钢切 削加工，粗加工切削深度一般为1．5～2．5nlnl， 精加工一般为O．05～lmm。 表3加工经热处理强化后的D406A钢切削速度推荐表 车削椭·rIlinl 铣削，m·mlⅣ。 钻孔，m·蚰n1 攻丝(扣／秒) 硬质台金 15～20 立方氯化硼 40～60 陶瓷 30～50 粉末冶金高速钢 10～15 6～10 03～O5 蔷}} 及时排屑 手动攻丝，用力平稳 63进给量 由于经热处理强化后的D406A钢的加工一 般是半精加工和精加工，因此，选择进给量的基 本原则是保证工件的尺寸精度和表面粗糙度。工 件表面粗糙度与走刀进给量的关系为反比．即进 给量越大，表面粗糙度值越大。因此，在加工经 热处理强化后的D406A钢时，迸给量选择较小 值。使用硬质合金刀具时，进给量为O．05～ 0120m耐转。使用陶瓷刀具时，进给量为o．05～ O25lTl|n／转。使用立方氮化硼刀具时，进给量为 O05～O．3m耐转。钻削时进给量为O．1～0．6mm／ 转。 7切削液的选择 由于经热处理强化后的D406A钢强度高， 切削时产生的热量大，宜采用冷却效果好的水基 切削液，并连续充分浇注，常用2号乳化油加水 稀释成乳化液。手动攻丝时，由于切削速度慢． 可加注切削油改善润滑效果，减小摩擦力。 8结论 a．进行D406A钢的切削必须选用合适的刀 具材料； b．选用合适的刀具几何角度、切削参数， 可以较好地进行D406A钢的切削； c．选用合适的切削液可以有效地改善 D406A钢的切削性能。 参考文献 1 田锡惠等导弹结构材料强度宁航出版社，1996 2孟少农等机械加工工艺手册机械工业出版社，1992 3 《航空工艺装备手册》编写组航空工艺装备设计手册一，J 具设计国防工业出版杜，1979 19 万方数据 D406A超高强度钢切削加工工艺研究 作者： 韩庆波， 宋东葵， 付德生 作者单位： 韩庆波,宋东葵(中南大学)， 付德生(中国三江航天集团江北机械厂) 刊名： 航天制造技术 英文刊名： AEROSPACE MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2003(3) 被引用次数： 2次 参考文献(3条) 1.《航空工艺装备设计手册》编写组 航空工艺装备设计手册-刀具设计 1979 2.孟少农 机械加工工艺手册 1992 3.田锡惠 导弹结构.材料.强度 1996 引证文献(2条) 1.曲中兴.张立武 超高强钢数控车削温度和车削力模型的建立[期刊论文]-工具技术 2009(4) 2.曲中兴.张立武 超高强度钢薄壁件车削变形控制[期刊论文]-航天制造技术 2008(5) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_htgy200303005.aspx